本發(fā)明涉及一種電動機自動節(jié)能系統(tǒng)，特別是涉及一種三相交流高壓異步電動機自動節(jié)能系統(tǒng)的技術(shù)方案，屬于節(jié)能與自動控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

高壓電動機是指額定電壓在1KV以上的電動機，常使用的是6KV和10KV電壓，由于國外的電網(wǎng)不同，也有3.3KV和6.6KV的電壓等級。高壓電動機可用于驅(qū)動各種不同的機械，如壓縮機、水泵、機床、運輸機械及其他設(shè)備，供礦山、機械工業(yè)、石油化工工業(yè)、發(fā)電廠等各種工業(yè)中作原動機用。據(jù)有關(guān)資料顯示，我國各種電動機的總耗電量約占全國總消費電量的60％以上，且其中高壓電動機與低壓電動機在容量(KV)上的比例為6∶4。由此可見，高壓電動機是一種應(yīng)用量大、使用范圍廣的高耗能動力設(shè)備，并且面對不可再生的一次能源，如煤、石油、天然氣等資源的枯竭，我們更要致力于高壓異步電動機的節(jié)能研究。目前在高壓異步電動機的節(jié)能技術(shù)中應(yīng)用較為廣泛的是變頻調(diào)速，而變頻器造價高，且其受原理所致，工作中不可避免地會產(chǎn)生很大的諧波干擾，其中高次諧波對電動機的溫升和運行效率會造成較大的影響，進而也會影響到電動機的使用壽命。

基于上述變頻調(diào)速的缺陷，本發(fā)明提出一種適于三相交流高壓異步電動機的自動節(jié)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要采用降壓變壓器、信號采集電路、控制電路和升壓變壓器實現(xiàn)高壓電動機的節(jié)能運行。其中降壓變壓器用于將供電側(cè)的高電壓降為中低壓開關(guān)工作范圍內(nèi)的電壓(如0.4KV、0.66KV、1.14KV)，信號采集電路用于實時采集電動機運行中的功率因數(shù)，控制電路將實際采集的功率因數(shù)與設(shè)定的基準(zhǔn)值比較，由比較結(jié)果給出電動機的工作電壓選擇信號，升壓變壓器為多抽頭形式，可實現(xiàn)電動機工作電壓的多級選擇。由此可實現(xiàn)高壓異步電動機的工作電壓隨其負載實時變化，提高了電動機的工作效率，達到了高效節(jié)能的目的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為解決高壓電動機能耗大，而變頻調(diào)速諧波大、成本高、影響電動機使用壽命等問題而發(fā)明設(shè)計的。三相交流高壓異步電動機自動節(jié)能系統(tǒng)主要由降壓變壓器，信號采集電路，控制電路和升壓變壓器構(gòu)成。其中降壓變壓器用于將高壓供電側(cè)高電壓降為中低壓，而升壓變壓器再將中低壓升到高壓電動機所需的高電壓范圍，該升壓變壓器原邊為由多組獨立繞組構(gòu)成的多抽頭形式，且各組繞組間均由開關(guān)連接，開關(guān)可以選擇性能可靠、反應(yīng)迅速的有觸點機械開關(guān)，也可以選擇無觸點的電子開關(guān)，例如：IGBT、可控硅、達林頓管等，副邊線圈匝數(shù)固定，按需要合理設(shè)計各組變比，可實現(xiàn)電壓的階躍調(diào)節(jié)。

該發(fā)明的降壓變壓器將高電壓降為中低壓開關(guān)工作范圍內(nèi)的電壓(如0.4KV、0.66KV、1.14KV)，這樣易于高壓電動機工作電壓的調(diào)節(jié)。

該發(fā)明的升壓變壓器原邊由多組獨立繞組構(gòu)成，各繞組間異名端由開關(guān)順次連接，感應(yīng)壓降最低，使得調(diào)壓過程更加安全，不易發(fā)生打火現(xiàn)象；開關(guān)可選用有觸點機械開關(guān)或者無觸點電子開關(guān)，如IGBT、可控硅、達林頓管等。這樣，升壓變壓器分接開關(guān)、信號采集電路、控制電路均工作在中低壓側(cè)，對于電器件的選擇范圍更寬、電壓控制更加安全、靈活、方便。

該發(fā)明的信號采集和控制電路分別實現(xiàn)功率因數(shù)的采集和高壓電動機的工作電壓切換的功能。其中信號采集電路采集的是高壓電動機的工作電壓和電流，由電壓、電流的波形變換獲取二者的相位差，然后轉(zhuǎn)換為功率因數(shù)有效值?？刂齐娐肥菍⑿盘柌杉娐帆@得的電動機實際功率因數(shù)與設(shè)定值比較，如果實際值大于設(shè)定值，說明電動機負荷較大，需要更大的工作電壓，這時需要切換到較高的工作電壓檔位；如果功率因數(shù)實際值小于設(shè)定值，則說明電動機此時負荷較輕，工作電壓較大，電能利用率較低，這時則需要切換到較低的工作電壓檔位，使其功率因數(shù)提升。如上所述，即可通過功率因數(shù)的比較輸出升壓變壓器原邊各分接開關(guān)的選通信號，進而實現(xiàn)高壓電動機工作電壓的切換。

本發(fā)明的有益效果：

1.降壓變壓器可實現(xiàn)高壓變換到中低壓開關(guān)工作范圍內(nèi)的電壓(如0.4KV、0.66KV、1.14KV)，這樣升壓變壓器的分接開關(guān)均工作在中低壓側(cè)，使其在選型和工作上比較方便、靈活和安全；

2.實時采集高壓電動機運行功率因數(shù)，由功率因數(shù)確定電動機的工作電壓，進而實現(xiàn)“所供即所需”的最佳節(jié)能效果；

3.升壓變壓器各組分接開關(guān)間邏輯控制上為互鎖關(guān)系，這樣能夠使得電壓檔位切換過程更具有安全性，可避免變壓器繞組間發(fā)生短路故障；

4.升壓變壓器原邊各分接開關(guān)具有多種選擇性，可選用工作壽命長，動作迅速的接觸器、繼電器等高可靠性的有觸點機械開關(guān)，也可以選用體積小、反應(yīng)速度快的可控硅、IGBT、達林頓管等無觸點電子開關(guān)；

5.升壓變壓器原邊各組線圈間由開關(guān)連接，各組線圈輸入側(cè)通過常開開關(guān)與電網(wǎng)連接，可有效避免電壓變換過程中的大電壓和沖擊電流的產(chǎn)生；

6.升壓變壓器原邊相鄰繞組的異名端相連，感應(yīng)壓降最低，使得電壓切換過程更加安全，不易發(fā)生打火現(xiàn)象。

附圖說明

圖1為三相交流高壓異步電動機自動節(jié)能系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖。

其中：C1為降壓變壓器；C2為升壓變壓器；M為高壓電動機。

圖2為升壓變壓器原理圖。

其中：C2為升壓變壓器；u_i為輸入電壓；u₀為變壓器副邊電壓；u_out為變壓器總輸出電壓；N11、N12、N13、N14為變壓器原邊繞組；N20為變壓器副邊繞組；K11、K12、K13、K14、K15、K16、K17為變壓器原邊各繞組分接開關(guān)；L為火線；N為零線。

圖3為信號采集電路原理圖。

其中：IB0為采集的電流信號；PE為接地信號；HG-I為電流互感器；IB為變換后的電流信號；UB、UC為采集的線電壓信號；HG-V為電壓互感器；UBC為變換后的線電壓信號；CR為清零信號；X1為電壓與電流的相位差信號；COSUI為X1的反向；Vout為功率因數(shù)的有效值。

圖4為窗口比較電路原理圖。

其中：LU為功率因數(shù)設(shè)定值的上限；LD為功率因數(shù)設(shè)定值的下限；L為功率因數(shù)實際值與設(shè)定值上限的比較結(jié)果；H為功率因數(shù)實際值與設(shè)定值下限的比較結(jié)果；CPU為加計數(shù)信號；CPD為減計數(shù)信號；RD為延時信號；Q1、Q2分別為減計數(shù)停止和加計數(shù)停止信號；CPA為某一頻率的方波信號。

圖5為加減計數(shù)一電壓檔位切換控制電路原理圖。

其中：K1、K2、K3、K4為升壓變壓器四個電壓檔位的控制信號。

圖6為電流零點檢測電路原理圖。

其中：I0為采集的電流信號；I1為I0變換后的電流方波信號；I為電流過零點信號。

圖7為升壓變壓器分接開關(guān)觸發(fā)電路原理圖。

其中：JN為節(jié)能信號；QL為JN的反向；QI1～QI4為分接開關(guān)觸發(fā)信號。

上述附圖中：R_XX代表電阻；C_XX代表電容；D_XX代表二極管；IC_XX代表集成電路。并且各圖中標(biāo)號一致的部分均代表相同的信號。

具體實施方式

下面將配合附圖對本發(fā)明做詳細說明。本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出詳細的實施方式，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述實施例。

本發(fā)明是為解決交流高壓異步電動機應(yīng)用量大、使用廣泛、耗能量高，且長期處于低效率、低功率因數(shù)的欠載運行狀態(tài)而造成電能浪費十分嚴重的問題而提出的。該發(fā)明主要由降壓變壓器，信號采集與控制電路，以及升壓變壓器構(gòu)成。

如圖1所示為三相交流高壓異步電動機自動節(jié)能系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖，其中C1為降壓變壓器，負責(zé)將供電側(cè)的高壓降為中低壓開關(guān)工作范圍內(nèi)的電壓(如0.4KV、0.66KV、1.14KV)，這樣使得控制電路中的電壓控制更安全、方便，電氣控制器件的選擇更加靈活。信號采集與控制模塊用于實時采集高壓電動機運行的功率因數(shù)，然后將功率因數(shù)實際值和設(shè)定值進行比較，進而輸出升壓變壓器的各分接開關(guān)的控制信號，即電壓檔位選擇信號。

C2為升壓變壓器(C2只是一相變壓器，該發(fā)明實際應(yīng)用的三相變壓器原理與其完全一致)，如圖2所示，其原邊可由多個獨立繞組(這里以N11～N14四組繞組為例)通過分接開關(guān)(K11～K17)順次連接，由控制電路輸出其各分接開關(guān)的控制信號，即實現(xiàn)高壓電動機工作電壓的切換。此處的分接開關(guān)類型不受限，可以是接觸器等的高性能機械開關(guān)，也可以是可控硅、IGBT、達林頓管等的電子開關(guān)。根據(jù)實際需要，原邊各繞組的匝數(shù)可任意設(shè)計，當(dāng)變比選為N11/N20時，需由控制電路控制開關(guān)K11閉合，其他開關(guān)斷開；當(dāng)變比選為(N11+N12)/N20時，需要首先斷開開關(guān)K11，然后同時閉合開關(guān)K12和K13；接著當(dāng)變比繼續(xù)增大為(N11+N12+N13)/N20時，同理需要斷開K13，然后同時閉合K15、K14、K12；變比增至最大(N11+N12+N13+N14)/N20時，需先斷開K15，再同時閉合K12、K14、K16、K17。在電壓檔位切換過程中，開關(guān)K11、K13、K15、K17需為互鎖，同一時刻最多只能有一個為閉合狀態(tài)，其他均斷開，并確保每次切換時，先斷開開關(guān)，再閉合相關(guān)開關(guān)，這樣可有效避免發(fā)生匝間短路。由圖2可知，升壓變壓器總輸出u_out＝u_i+u₀，且原邊匝數(shù)越多，升壓越慢，即輸出電壓越低；

下面將通過具體的電路圖說明信號采集與控制電路的工作原理。

1.信號采集電路

如圖3所示，采集電動機運行中的電流信號IB0，首先經(jīng)過精密電流互感器HG-I，再通過并聯(lián)電阻R1將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后依次經(jīng)過由R2、C1、R3、C2組成的兩級RC低通濾波電路，IC1、R4～R6組成的運算放大電路，IC2、R7組成的過零比較電路以及反相器IC3得到清晰、無抖動的電流信號IB。

采集電動機運行中的電壓UB、UC，經(jīng)過精密電壓互感器HG-V和同樣的兩級低通濾波電路、運算放大電路、過零比較電路以及反相器IC7得到穩(wěn)定的電壓信號UBC。且對于電流、電壓信號的濾波處理采用型號與參數(shù)一致的元件，目的是確保采集的電壓與電流信號的相位差不受濾波電容的影響。

IC4和IC8為D觸發(fā)器電路，輸出X1為電壓上升沿到電流上升沿的相位差波形，COSUI 則為電流上升沿到電壓上升沿的波形，經(jīng)過R27～R29、C5～C7三級濾波電路，得到電動機功率因數(shù)的有效值Vout，如此，根據(jù)功率因數(shù)的定義為相電壓與相電流的夾角余弦值(且線電壓自然超前相電壓30°角)，則Vout值越大，說明電動機的實際功率因數(shù)越大。

2.控制電路

(1).窗口比較電路

圖4中，LD和LU分別為功率因數(shù)設(shè)定值的下限和上限(LU＞LD)，運算電路IC10與R60、R63～R66構(gòu)成滯回比較電路，將功率因數(shù)實際值與LU比較，輸出L為“1”，說明功率因數(shù)實際值低于LU，反之，L為“0”，則實際值大于LU。同理IC14亦為運算電路，同樣與相關(guān)電阻構(gòu)成滯回比較電路，輸出H為“1”，說明實際值Vout大于設(shè)定下限值LD，反之H為“0”，Vout低于LD。RD為切換延時信號，CPA為某一頻率的方波脈沖信號(RD與CPA均可根據(jù)需要由計數(shù)器電路簡單實現(xiàn)，此處省略)。L與H信號分別經(jīng)過或門電路IC11、IC12得到加、減計數(shù)信號CPU、CPD。

(2).加減計數(shù)-(升壓變壓器)電壓檔位切換控制電路

IC15為計數(shù)器電路，當(dāng)CPU為“1”，而CPD出現(xiàn)上升沿↑，則開始減計數(shù)；當(dāng)CPD為“1”，而CPU出現(xiàn)上升沿↑，則開始加計數(shù)，如圖5所示，IC16、IC17、C80、R800構(gòu)成計數(shù)器的上電清零電路。IC18為3-8譯碼器，因為其是低電平有效，輸出經(jīng)過非門IC19～IC26，或門IC27～IC30得到K1～K4即為升壓變壓器電壓檔位的切換控制信號(這里僅僅以四個電壓檔位為例，實際應(yīng)用中可以根據(jù)實際任意選擇電壓檔位數(shù)量)，且K1～K4對應(yīng)輸出電壓依次升高。

圖5中，IC37為D觸發(fā)器，輸出信號Q1為圖4或門IC12的輸入，當(dāng)電壓檔位切換到最低檔K1時，若此時依然接收到減計數(shù)信號，即L為“1”，H為“0”，則可由Q1＝“1”將CPD置“1”，禁止計數(shù)器IC15繼續(xù)減計數(shù)；同理，計數(shù)器IC38的輸出Q2用于避免當(dāng)電壓檔位處于最高檔K4時，繼續(xù)進行加計數(shù)。如此即可避免電壓檔位切換過程中因為加減計數(shù)的循環(huán)而帶來邏輯上的誤操作。

(3).電流零點檢測電路

因升壓變壓器的分接開關(guān)在動作過程中會產(chǎn)生很大的沖擊電流，因此可利用電流零點檢測電路，使開關(guān)的開、合動作發(fā)生在電流過零處，有效避免電流的沖擊，使整個系統(tǒng)運行中更加安全可靠。如圖6所示即為三相電中其中一相的電流零點檢測電路(其它相方法完全一致)，其中HG-I1為電流互感器，采集電流信號I0，然后經(jīng)過電阻R80將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)運算放大電路IC45、過零比較電路IC46、反相器IC47獲得電流的方波信號I1，通過濾波電路、波形取反電路IC42～IC44，得到電流I0的零點脈沖信號I，且I的周期為10ms，因為工頻交流信號一個周期20ms有兩個過零點。

(4).升壓變壓器分接開關(guān)觸發(fā)電路

為有效避免因升壓變壓器原邊各分接開關(guān)誤動作或者有損壞而造成的短路故障，設(shè)計如圖7所示的分接開關(guān)觸發(fā)電路，其中IC60、IC64、IC65、IC66均為D觸發(fā)器，QI1～QI4分別對應(yīng)四個電壓檔位K1～K4的切換信號，即如圖2所示，信號QI4控制升壓變壓器原邊分接開關(guān)K11，信號QI3控制分接開關(guān)K12、K13，信號QI2控制分接開關(guān)K15、K14、K12，信號QI1控制分接開關(guān)K17、K16、K14、K12，且各分接開關(guān)的觸發(fā)電路間為互鎖關(guān)系，例如，當(dāng)電壓檔位控制信號K1為高電平“1”時，若K2～K4中任意一個也為“1”，則由或門IC61輸出“1”將D觸發(fā)器IC60的輸出QI1清零，這樣會使當(dāng)同時有兩個電壓檔位都被選通時，控制電路鎖住輸出，使系統(tǒng)工作在旁路非節(jié)能狀態(tài)。

應(yīng)用中，為避免各種電路故障如過壓、過流、短路等，可加入故障保護和報警電路，使整個節(jié)能系統(tǒng)安全運行。

最后需要說明的是：上述僅為本發(fā)明的實施例，并非是對本發(fā)明的實施方式進行限定，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容，將本發(fā)明運用到其他相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之中。